Hjärnaktivitetskartan

En föreslagen insats för att kartlägga hjärnaktivitet i stor skala, som förväntas tillkännages av Vita huset senare denna månad, kan hjälpa neuroforskare att förstå ursprunget till kognition, perception och andra fenomen. Dessa hjärnaktiviteter har hittills inte förståtts väl, delvis för att de uppstår från interaktionen mellan stora uppsättningar neuroner vars samordnade ansträngningar forskare för närvarande inte kan spåra.

Aktiva länkar: En fluorescerande molekyl i nervcellerna i en mushjärna lyser när hjärncellerna eldar.

Det finns alla typer av anmärkningsvärda verktyg för att studera individuella cellers mikroskopiska värld, säger John Donoghue, neuroforskare vid Brown och deltagare i projektet. Och på den makroskopiska sidan har vi verktyg som MRI och EEG som berättar om hjärnans funktion och dess struktur, men med låg upplösning. Det finns en lucka i mitten. Vi behöver registrera många, många neuroner precis som de verkar med tidsprecision och i stora områden, säger han.

En artikel publicerad i torsdags i Vetenskap online utökar projektets redan ambitiösa mål utöver att bara registrera aktiviteten hos alla individuella neuroner i en hjärnkrets samtidigt. Forskare bör också hitta sätt att manipulera neuronerna inom dessa kretsar och förstå kretsfunktion genom nya metoder för dataanalys och modellering, skriver författarna.

Att förstå hur nervceller kommunicerar med varandra över stora delar av hjärnan kommer att vara avgörande för att förstå hur hjärnan fungerar, enligt deltagarna i projektet. Andra ansträngningar för att kartlägga de fysiska kopplingarna i hjärnan pågår redan (se TR10: Connectomics and Mapping the Brain on a Massive Scale ), men dessa projekt tittar på statiska hjärnor eller kan bara få en grov bild av hur regioner i hjärnan kommunicera. Det nya projektet kommer förmodligen att börja tillämpa sin nya och ändå okända teknik på enklare hjärnor, som flugornas, och kommer förmodligen att ta årtionden att uppnå sina mål.

Många ledare från områdena neurovetenskap, nanoteknik och syntetisk biologi förväntas samarbeta i ansträngningen. Vi behöver något storskaligt för att försöka bygga verktyg för framtiden, säger Rafael Yuste , en neurobiolog vid Columbia University och medlem i projektet. Vi ser oss själva som verktygsbyggare. Jag tror att vi skulle kunna tillhandahålla det vetenskapliga samfundet de metoder som kan användas för nästa steg i neurovetenskap.

Förutom att fördjupa den grundläggande förståelsen för hjärnan kan projektet även leda till nya behandlingar för psykiatriska och neurologiska störningar. Om vi ​​verkligen förstår hur saker som tankar, kognition och andra funktioner i hjärnan uppstår, borde vi ha en bättre förståelse för humörstörningar, Parkinsons, epilepsi och andra tillstånd som tros uppstå från hjärnomfattande kretsproblem, säger Donoghue .

Detaljer om vilka teknikidéer som kommer att ges grönt ljus och hur mycket pengar som kommer att stödja deras utveckling förväntas avslöjas i Vita husets tillkännagivande som ännu inte kommer. Projektet kommer sannolikt att stödjas av National Institutes of Health, National Science Foundation, Defense Advanced Research Projects Agency, Office of Science and Technology Policy och privata stiftelser, säger deltagarna. Det är ännu inte klart hur mycket pengar som kommer att behövas eller vilka tekniker som kommer att prioriteras.

Oavsett vilken speciell teknik som dyker upp, kommer nanoteknik sannolikt att vara involverad, delvis på grund av behovet av mindre och snabbare sensorer för att registrera neuronal aktivitet över hjärnan. Befintliga sensorer kan registrera den elektriska aktiviteten hos neuroner, men dessa chips kan vanligtvis övervaka färre än 100 neuroner åt gången och kan inte registrera aktivitet från närliggande neuroner, vilket skulle vara nödvändigt för att förstå hur neuroner interagerar med varandra. Paul Weiss , chef för California NanoSystems Institute vid University of California, Los Angeles, en deltagare i projektet, säger att nanotillverkningstekniker skulle kunna ta itu med detta problem, med mindre chips som bär mindre elektriska och till och med kemiska sonder. Vi har under ett decennium haft en ganska betydande investering i vetenskap och teknik för att utveckla förmågan ... att kontrollera hur det vi gör interagerar med de kemiska, fysiska och biologiska världarna, säger han.

Nya optiska tekniker kan också hjälpa kartläggningsprojektet. För närvarande använder många forskargrupper kalciumkänsliga fluorescerande färgämnen för att studera neuronbränning, men Yuste vill utveckla en optisk teknik som använder spänningskänsliga fluorescerande färgämnen för en snabbare avläsning. Neuroner kommunicerar med spänning, säger han. Vi skulle vilja utveckla spänningsavbildning så att vi kommer att kunna mäta neuronaktivitet direkt.

Även om många saker om projektet är osäkra, är en sak klar – det kommer att finnas mycket data att lagra, dela och analysera. Vi har precis börjat skrapa på ytan av hur man hanterar data i högdimensionella utrymmen, säger Terry Sejnowski, beräkningsneuroforskare vid Salk Institute. Om du pratar om en miljon neuroner kan ingen ens föreställa sig hur det ser ut – det är långt bortom vad vi kan uppfatta i tre dimensioner.

De Vetenskap artikeln skisserar också en grov tidslinje. Inom fem år borde det vara möjligt att övervaka tiotusentals neuroner; om 15 år borde en miljon neuroner vara möjliga. En flugs hjärna har cirka 100 000 neuroner, en mus har cirka 75 miljoner och en människas cirka 85 miljarder. Med en miljon neuroner kommer forskare att kunna utvärdera funktionen hos zebrafiskens hela hjärna eller flera områden från musens hjärnbark, skriver författarna.

Dölj